电动汽车工作原理

电动汽车工作原理作者：MarshallBrain（本文为博闻网版权所有，转载必须注明出处。）本文包括：1.1.引言2.2.电动汽车的马达以及其他装置3.3.改装电动汽车4.4.了解更多信息5.5.阅读所有代用燃料类文章电动汽车总是出现在各类新闻中。人们对电动汽车的兴趣不减，有以下几个原因：电动汽车产生的污染比汽油动力车要少，因此从环保方面考虑，电动汽车是汽油动力车的一种合适的替代方案（特别是在城市中）。任何有关混合动力车的新闻报导通常也会谈论到电动汽车。由燃料电池提供动力的车是电动汽车，而燃料电池现已在新闻中受到了广泛的关注。典型电动汽车的功率为50千瓦的控制器在本文中，您将通过厂商生产和自己动手改造两个方面了解电动汽车。您还将了解一个针对初中和高中学生的创新计划，该计划让各个学生团队来制作电动汽车并进行比赛。电动汽车是一种由电动马达而不是汽油发动机提供动力的汽车。消声器、催化转化器、排气管和油箱一起拆下。从外观上看，您可能完全不知道汽车是电动的。大多数情况下，电动汽车都是由汽油动力车改装过来的，因此在这种情况下很难分辨出来。驾驶电动汽车时，通常唯一能够让您认清这辆车的真实面目的方法是：电动汽车开起来几乎是无声的。在发动机罩的下面，汽油车和电动汽车之间存在许多差异：汽油发动机已被电动马达替换。电动马达从控制器获取动力。控制器从一组可充电的蓄电池获取动力。汽油发动机及其油管、排气管、冷却管和进气歧管看起来就像一个管道工程。而电动汽车完全是一个布线工程。为了对电动汽车的一般工作原理有个认识，先让我们看一下典型的电动汽车，以了解其构造。下面显示的是供我们本次讨论的电动汽车：这是一辆典型的电动汽车，车身贴了一些特别漂亮的贴纸（请参见电动汽车挑战赛，了解这一针对中学生的比赛）。这辆电动汽车是从一辆普通的1994GeoPrism汽油动力车改装过来的。以下是将该汽车变成一辆电动汽车所做的改装：将汽油发动机连同将离合器总成拆下。现有手动变速器保留在原位，并固定在二挡。通过一个固定板使用螺栓将新的交流电动马达固定到变速器上。增装一个电动控制器以控制交流马达。50千瓦的控制器可以输入300伏的直流电并输出240伏的交流电（三相）。标有“U.S.Electricar”的盒子即为控制器。在汽车底板上安装蓄电池底座。在蓄电池底座中放入五十个12伏的铅酸蓄电池（分为两组，每组25个铅酸蓄电池，可以产成300伏的直流电）。为以前从发动机获取动力的各个装置增装电动马达来提供动力：水泵、动力转向泵和空调。为动力制动器增装真空泵（在汽车装有发动机的情况下，动力制动器会使用发动机真空）。真空泵位于中间居左的位置。手动变速器的换挡杆用一个伪装成自动变速器换挡杆的开关替换，以控制前进和倒退。自动变速器换挡杆用于选择前进和倒退。它包含一个小开关，用于向控制器发送信号。增装了一个小的电热水器以提供热能。热水器增装了充电器，以便能够对蓄电池进行充电。实际上，这辆独特的汽车具有两套充电系统：一套系统连接通常的120或240伏的壁装电源插座，另一套系统连接Magna-Charge感应充电板。120/240伏的充电系统Magna-Charge感应板充电系统燃油表替换成了电压表。电动汽车中的“燃油表”既是一个简单的电压表，又是一个比较复杂的计算机，用于跟踪进出蓄电池组的电流。汽车的任何其他设备保持不变。当您进入汽车后，将车钥匙插入点火装置中，并将其旋转到“on”位置，即可发动汽车。将换挡杆推入到“D”（行进）位置，踩下加速踏板即可开动汽车。汽车的表现和普通的汽油车很相似。以下是一些有趣的统计数据：这辆汽车可以行驶80公里。将时速从0提高到96公里/小时大概需要15秒钟。在汽车行驶了80公里之后，需要对汽车充电约12千瓦时。蓄电池的重量大约为500公斤。蓄电池的寿命为三到四年。若要比较汽油车和电动汽车每公里的行驶成本，可以参照下面的示例。美国北卡罗莱纳州现在的电费约为8美分/千瓦时（如果您采用分时段计帐方式并在晚上进行充电的话，则电费约为4美分/千瓦时）。这就意味着，电动汽车每充满一次电需要花费1美元（如果采用分时段计帐方式，则需花费50美分）。因此，电动汽车每公里的行驶成本为1.2美分或0.6美分（如果采用分时段计帐方式）。如果汽油的价格为0.26美元/升，并且汽车使用1升汽油可以行驶10公里，则汽油车每公里的行驶成本为2.6美分。显而易见，电动汽车每公里的“燃油”成本比汽油车的要低得多。而且，对于许多人来说，80公里的行驶范围也不具有局限性，城市或郊区的普通居民每天的行车距离很少超过50或60公里。不过，为了保证绝对公平，我们也应考虑到蓄电池的更换成本。如燃料电池中所述，蓄电池目前是电动汽车的一个薄弱环节。更换这辆电动汽车的蓄电池需要花费约2,000美元。蓄电池将可以供汽车行驶大约32,000公里，即每公里要花费大约6美分。现在，您就知道为什么燃料电池如此让人兴奋了——燃料电池解决了蓄电池问题。有关燃料电池的更多详细信息将在本文后面的内容中讨论。电动汽车的核心部分由以下几个部件组成：电动马达马达的控制器蓄电池连接蓄电池与直流马达的是一个简单的直流控制器。如果驾驶员将油门踏板踩到底，则此控制器会将来自蓄电池的全部96伏电压传送到马达。如果驾驶员将脚从油门上移开，则此控制器不会向马达传送电压。对于这二者之间的任何设置，控制器每秒钟会将96伏电压“切掉”几千次以获得介于0和96伏之间的平均电压。控制器从蓄电池获取电力并将其传送给马达。油门踏板与一对电位计（可变电阻器）相连，这些电位计会发出信号以告知控制器其认为可能传送的电力。控制器可以不传送电力（当停止汽车时）、传送全部电力（当驾驶员将油门踏板踩到底时）或介于这二者之间的任何电力级别。当您打开发动机罩时，首先映入眼帘的就是控制器，如下图所示：标有“U.S.Electricar”的盒子就是这辆电动汽车的电压为300伏、功率为50千瓦的控制器。在这辆汽车中，控制器将从电池组获取300伏的直流电。它会将获取的直流电转换为最多240伏的交流电（三相）以发送给马达。控制器通过使用非常大的晶体管来做到这一点，晶体管可以快速打开或关闭蓄电池电压以生成正弦波。当您踩下油门踏板时，踏板的缆线会连接到这两个电位计：电位计与油门踏板相连并向控制器发送信号。来自电位计的信号将告知控制器向电动汽车的马达传送的电力数。为了安全起见，电动汽车中安装了两个电位计。控制器将读取这两个电位计并确保二者的信号相同。如果二者的信号不同，则控制器不会运行。这样安排是为了预防一个电位计在全满位置失效的情况发生。粗的电缆（左侧）用于连接蓄电池组和控制器。中间是一个非常大的闭合开关。右侧的一束小的电线用于传送由蓄电池之间的电位计提供的信号，并为用于保持蓄电池处于冷却和通风状态的风扇提供电力。连接控制器输入和输出端的粗大电线控制器在直流电电动汽车中的作用很容易理解。让我们假定蓄电池组包含12个电压为12伏的蓄电池，并用串联的方式连接在一起以产生144伏的电压。控制器将接收144伏的直流电，并通过可控方式将其传送给马达。最简单的直流控制器应是通过电线连接油门踏板的大的闭合开关。当您踩下油门踏板时，此开关将打开；而当您松开油门踏板时，此开关将关闭。作为一名驾驶员，为了保持给定的车速，您必须踩下和松开油门以脉冲的方式打开和关闭马达。显然，虽然这种开关方法可行，但是对于驾驶来说是痛苦的，因此控制器将为您调制脉冲。控制器会从电位计读取油门踏板的设置并相应地调整电力。让我们来谈论一下将油门踩下一半的情况。控制器会从电位计读取到此设置，并快速打开和关闭供给马达的电力，以便马达一半时间处于打开状态，另一半时间处于关闭状态。如果您将油门踏板踩下四分之一，则控制器会使电力脉冲输出，以便马达在25%的时间处于打开状态，75%的时间处于关闭状态。大多数控制器脉冲输出电力的频率超过15,000次/秒，目的在于使脉动保持在人类听觉的范围之外。脉冲电流会导致马达外壳按该频率振动，因此当脉冲频率高于15,000次/秒时，控制器和马达对于人的耳朵来说是无声的。交流控制器连接到交流马达。通过使用六组电力晶体管，控制器可以接收300伏的直流电并会生成240伏的交流电（三相）。有关三相电力的讨论，请参见电力网的工作原理。此外，控制器还额外提供了一个用于蓄电池的充电系统，以及一个用于对12伏附件蓄电池进行充电的直流到直流转换器。在交流控制器中，这项工作会更复杂一点，但思路是一样。控制器会生成三段伪正弦波，并通过从蓄电池获取直流电压，然后以脉冲方式打开和关闭此电压来做到这一点。在交流控制器中，还需要每秒将电压的极性反转60次。因此，实际上您需要在交流控制器中使用六组晶体管，而只需在直流控制器中使用一组晶体管。在交流控制器中，对于每一相，您需要一组晶体管来脉冲输出电压，并需要另一组晶体管来反转极性。由于您对三相要重复三次操作，因此共需要六组晶体管。电动汽车中使用的大多数直流控制器来自电力叉车行业。上图所示的Hughes交流控制器与GM/SaturnEV-1电动汽车中使用的交流控制器类型相同。该控制器最多可以向马达传送50,000瓦电力。电动汽车可以使用交流马达或直流马达：如果马达是直流马达，则可以在96和192伏之间的任何电压下运行。电动汽车中使用的许多直流马达来自于电动叉车行业。如果马达是交流马达，则可能是在240伏交流电（由300伏的电池组提供）下运行的三相交流马达。安装直流马达将更加简单且花费更低。典型的马达功率介于20,000瓦到30,000瓦之间。典型的控制器的功率介于40,000瓦到60,000瓦之间（例如，96伏的控制器最大可以传送400或600安的电流）。直流马达具有在短时间内过度使用的良好特性（最大系数为10:1）。也就是说，功率为20,000瓦的马达将可以在短时间内接收100,000瓦的功率，并传送其额定功率5倍的功率。这对于突然加速很有用。唯一的限制是马达内的热量聚积。过度使用马达会导致马达不断升温，导致烧毁。交流电安装允许使用几乎所有工业三相交流马达，从而使您可以更容易地查找具有特定尺寸、形状或额定功率的马达。交流马达和控制器通常具有再生功能。在制动过程中，马达会变成一个发电机并将电力传送回蓄电池。就当今而言，蓄电池是所有电动汽车中的一个薄弱环节。对于当前铅酸蓄电池技术，至少存在六个明显的问题：重量大（一个典型的铅酸蓄电池组的重量不低于454千克）。体积大（我们在此查看的电动汽车具有50个铅酸蓄电池，每个铅酸蓄电池的尺寸约为15cmx20cmx15cm）。容量有限（典型的铅酸蓄电池组可以容纳12到15千瓦时的电量，仅可以供电动汽车行驶75公里左右）。充电速度慢（要将典型的铅酸蓄电池组充满，需要的充电时间介于4到10小时之间，具体取决于蓄电池技术和充电器）。使用寿命短（三到四年，大约200个完全充电/放电周期）。价格贵（样车中展示的铅酸蓄电池组的价格约为2,000美元）。您可以将铅酸蓄电池更换为NiMH蓄电池。这样，电动汽车的行驶范围将增加一倍，且NiMH蓄电池的寿命为10年（数千次充电/放电周期），但是现今NiMH蓄电池的成本是铅酸蓄电池的10到15倍。换句话说，NiMH蓄电池组现今的成本将为20,000到30,000美元而不是2,000美元。当先进的蓄电池成为主流时，其价格将下跌，因此在几年之后，NiMH蓄电池组和锂离子蓄电池组的价格将可以与铅酸蓄电池组的价格竞争。由此可见，电动汽车到时会有一个美好的未来。当您审视与蓄电池相关的问题时，会对汽油产生一个不同的观点。9升的汽油的燃油里程与铅酸蓄电池充电一次后驱动电动汽车行使的里程相当，但是，这些汽油只有大约7千克，成本只有3.00美元而且只用30秒就可以加注到油箱内，而铅酸蓄电池重达454千克，成本高达2,000美元且充电需要花费四个小时。有关蓄电池技术的问题说明了为什么如今燃料电池如此让人兴奋。与蓄电池相比，燃料电池体积更小，重量更轻且可以即时充电。当由纯氢提供动力时，燃料电池不会产生任何与汽油相关的环境问题。将来的汽车很有可能是通过燃